GSM-R網絡承載CTCS-3級列控數據傳輸關鍵技術研究

■ 石波

GSM-R網絡系統包括GSM-R網絡和GSM-R終端，可提供數據通信、話音通信和短消息等業務。為滿足鐵路運輸需求，CTCS-3級列控系統（簡稱C3）采用GSM-R網絡實現車-地控車信息的雙向無線傳輸。目前，GSM-R網絡采用電路交換方式承載C3業務，為C3數據分配專用信道。GSM-R網絡與C3接口關系見圖1[1]。

GSM-R網絡與C3接口包括Igsm-r和Ifix接口，其中Igsm-r是列控車載設備內部接口，是列控車載安全通信單元與無線通信單元間的接口，Ifix是GSM-R網絡與RBC間的接口，GSM-R網絡通過MSC與RBC進行互通，采用PRI（2 Mb/s）接口、DSS1信令方式。

1 GSM-R網絡對列控信息的傳輸與處理

1.1 列控無線消息數據包格式轉換

C3定義了列車注冊與啟動、注銷、級間轉換、行車許可、RBC切換、臨時限速等14個主要運營場景[2]，地到車無線消息包括“行車許可”等15種，車到地無線消息包括“列車位置報告”、“行車許可（MA）請求”等20種[3]。這些無線消息的傳輸采用規定的通信協議，數據傳輸格式符合C3規范的相關技術規定。

列控消息的傳輸協議采用分層結構，從上至下，每一層分別在上一層數據的基礎上增加本層數據包頭、可選信息包等。列控消息的數據包長度不一樣，而傳輸層、網絡層、鏈路層等數據單元的用戶數據長度固定，因此需要對用戶數據進行分段傳輸，即一個無線消息可能被映射到多個數據單元中，最后在鏈路層以不同幀的形式進行傳送。反之，在接收端，接收設備將所接收的分段傳輸數據重裝入數據單元。各層數據包封裝見圖2[4]，其長度和數量見表1。

圖1 GSM-R網絡與C3接口關系

圖2 各層數據包封裝示意圖

1.2 GSM-R網絡系統數據傳輸協議棧

以車向地發送數據為例，在數據傳輸過程中，GSM-R網元對列控數據進行一系列的協議轉換和速率適配，協議棧見圖3。

圖3中RA是GSM-R網絡系統設備中的速率適配器，其具體功能見表2[4]。

1.3 列控車載設備對列控數據的處理

列控車載設備對列控數據處理包括異步數據速率轉為同步數據速率、同步數據速率轉為無線空口速率等（見圖4）。

1.3.1 異步數據速率轉換同步數據速率

列控車載設備通過RA0實現列控異步數據速率和同步數據速率間的轉換。C3采用異步通信方式發送數據，數據包之間時間間隔任意（類似計算機鍵盤和主機間通信），每個字符為10 b（含起始位和停止位）。例如發送40字節的C3信息包，采用4.8 kb/s傳輸速率約需83 ms。RA0通過將異步數據填充附加的“停止比特”，使其速率等于相同的同步數據速率或者最接近的較高同步數據速率。4.8 kb/s和9.6 kb/s異步用戶速率適配對應的同步用戶速率仍為4.8 kb/s和9.6 kb/s。

1.3.2 同步數據速率轉換無線空口數據速率

列控車載設備通過RA1'模塊完成同步用戶數據速率與無線空中接口數據速率的轉換。

C3數據傳輸物理層采用無線空中接口，應符合3GPP關于GSM空中接口的有關規定，可采用GSM全速率數據信道（TCH/F9.6）和半速率數據信道（TCH/F4.8）2種信道類型，C3數據的無線發送需要經過分組編碼、卷積編碼和交織等過程[5]。

（1）全速率數據信道（TCH/F9.6）。分組編碼：無線設備（列控車載設備或BTS）每5 ms將一個60 b的數據塊（其中業務速率為48 b）送入編碼器；每4個60 b的數據塊成1組，并在尾部增加4個0000拖尾比特，形成244 b的數據流。交織編碼：采用1/2率卷積編碼將244 b數據流通過多項式運算，組成244×2=488 b數據流，其中32 b不傳送。交織：將編碼后的數據打亂順序排列，避免數據連續丟失接收端無法恢復，如編碼后的數據1111222233334444和交織后的數據1234123412341234。如果傳輸過程中數據連續丟失了4位，則接收前數據為*111*222*333*444，利用編碼糾錯可恢復原始數據。

交織后形成456 b數據流在空口上發送，即空口上對應速率為456 b/20 ms=22.8 kb/s，其中業務速率192 b/20 ms＝9.6 kb/s。

表1 數據包長度和數量

圖3 數據傳輸協議棧

表2 速率適配器功能

圖4 列控車載設備對列控數據處理示意圖

（2）半速率數據信道（TCH/F4.8）。無線設備（BTS或車載設備）每10 ms組成一個60 b的數據塊送入編碼器；將16個0比特添加到60 b信息比特中，組成76 b的數據塊；每2個76 b的數據塊成1組，組成152 b的數據流；采用1/3率卷積編碼組成152×3＝456 b數據流，并在無線空口上發送，即空口上對應速率為456/20 ms=22.8 kb/s，其中業務速率96 b/20 ms＝4.8 kb/s。

綜上所述，不同信道類型下的C3數據處理方式不同。4.8 kb/s和9.6 kb/s 數據傳輸速率對比見表3。

4.8 kb/s 和9.6 kb/s信道的編碼速率（空中接口速率）相同，但采用4.8 kb/s速率信道時，業務信息量相對少，冗余比特信息多，其數據傳輸信道的可靠性相對較高，國內應用4.8 kb/s異步透明數據傳輸為承載列控業務的首選方式[6-7]。

1.4 BSS對列控數據的處理流程

GSM-R網絡系統的基站子系統（BSS）包括基站（BTS）、基站控制器（BSC）、碼速變換器（TRAU）設備，BSS對列控數據處理流程見圖5。

（1）通過RA1'/RA1模塊，實現無線接口數據速率和同步用戶數據速率的轉換，再從同步用戶數據速率（4.8 kb/s或9.6 kb/s）轉換為中間速率（8 kb/s或16 kb/s）。RA1'/RA1輸出的數據采用CCITT V.110協議中規定的80 b幀格式。

（2）通過RAA模塊實現中間速率與16 kb/s速率的轉換。BSC與TRAU間的信息采用特定的TRAU幀，速率為16 kb/s。中間速率與16 kb/s速率轉換過程中，通過RAA實現ITU-T80 b幀格式數據與320 b TRAU數據幀中修改的ITU-T V.110 72 b數據幀格式轉換。每個TRAU幀傳輸4個V.110幀。

（3）通過TRAU的RA2模塊實現中間速率和64 kb/s最終數據速率間的轉換。

在64 kb/s數據幀中為8 kb/s中間速率分配固定數據幀位置，16 kb/s中間速率數據流占數據幀中2個位置。未使用的比特均編碼為1[8]。

表3 4.8 kb/s和9.6 kb/s數據傳輸速率對比

圖5 BSS對列控數據處理流程示意圖

1.5 MSC/IWF對列控數據的處理

在互聯功能接口（IWF）中的數據處理以用戶速率進行的，因此IWF負責對數據速率進行調整，即64 kb/s的數據通過RA2、RA1和RA0實現和移動終端（MS）、BSS中相反的適配過程。

綜上所述，以4.8 kb/s的原始列控異步透明數據為例，GSM-R網絡數據傳輸、速率適配過程見圖6。

2 C3數據傳輸關鍵參數設置

（1）列控車載設備對無線鏈路監控。C3采用T-NVCONTACT參數監控無線鏈路狀態，同時該參數也是列控降級的一個重要表征，表示接收窗口。數值設置范圍為7～20 s，國內推薦值為20 s。

當參數超時，即列控車載設備在窗口時間內未收到來自RBC的應用層消息，C3判斷通信鏈路中斷，DMI報“無線超時制動”，列車實施常用制動；若列控車載設備判斷符合降級條件（速度降低到CTCS-2級列控系統允許的速度）且經司機確認后，則由C3控車方式轉為CTCS-2級控車；在此期間若收到新的無線消息，則緩解制動繼續采用C3控車。

T-NVCONTACT數值若設置太小，將造成列車頻繁制動，若設置太大，當車-地間不能交互信息時，列車不采取常用制動，運行安全性降低。

圖6 GSM-R網絡數據傳輸、速率適配過程示意圖

實際應用中，導致無線超時的原因有C3（列控車載設備、RBC設備）和GSM-R網絡等原因，可采用GSM-R網絡接口監測系統，根據C3運用場景和車-地信令交互、數據發送情況，結合車載設備上報的無線測量報告等對問題進行定位，并采取相應的優化措施。

（2）GSM-R網絡系統無線鏈路超時參數的設置。GSM-R網絡采用RLT參數（基站BTS設置）檢測無線鏈路故障。在設備通信過程中，話音或數據質量惡化到不可接受，并且無法通過功控或切換改善時，若RLT超時，GSM-R網絡系統則啟動呼叫重建或強行拆鏈，并釋放網絡資源。

導致RLT超時的原因包括干擾、上下行通信質量差、傳輸電路倒換故障、BTS設備故障（載頻板、接口板、天饋系統等）、TRAU設備故障、IWF板件等。RLT超時并不一定會導致C3控車降到CTCS-2級控車模式。

RLT取值范圍4～64，步長480 ms，對應時長1.92～30.72 s。目前，國內C3線路客運專線GSM-R網絡系統取值尚無統一規定，其數值大小將影響網絡的掉話率和無線資源的利用率，一般RLT數值小于T-NVCONTACT。

3 基于R4架構的核心網承載C3的關鍵技術

C3業務對GSM-R網絡系統可靠性要求高，為提高其可靠性，核心網移動交換中心（MSC）應考慮冗余備份，現階段可采用基于R4網絡架構的移動交換機（MSC）。

3.1 軟交換雙歸屬組網技術

基于R4網絡架構的MSC包括移動交換中心服務器（MSC server）和媒體網關（MGW），可實現呼叫控制和承載業務相分離。MSC server 與MGW間采用H.248協議，基于IP進行承載，因此與R99架構MSC有本質區別，組網也有所不同。

（1）GSM-R網絡系統可采用雙歸屬方案對MSC server進行備份，采用1+1主備方式、N+1主備方式、1+1互備方式等。綜合考慮網絡結構和設備利用率較低、可靠性、維護管理、可實施性等因素，MSC server可采用1+1主備工作方式，當主備MSC server故障，備用MSC server自動接替主備MSC server處理業務，所需時間一般小于10 min（實際工程測試約為3 min）。

（2）GSM-R網絡系統可采用負荷分擔方式對MGW進行備份。BSC任意同時連接至2個MGW，采用雙歸屬方式接入MSC。C3的無線閉塞中心（RBC）與MSC互連中繼電路應冗余配置，并分別連接至主備MGW。工程中的MGW中繼容量按一個MGW故障時另一個接管全部業務配置。

當主用MSC server故障時，2個MGW重新注冊到備用MSC server，當前承載的業務不受影響。由于MSC server故障，不能處理信令信息，主備MSC server倒換時間（3 min內）新發起的業務不能成功建立。

當一個MGW故障時，其當前承載的業務中斷，新發起的業務全部轉由另一個MGW承載，因此不受影響。

（3）MSC可通過MGW或MSC server對外（MSC、HLR、SCP、SMSC等設備）提供信令鏈路。目前，工程上采用通過MGW對外提供信令鏈路，需要MSC內部對信令協議進行轉換，可提高可靠性，避免了主備MSC server至HLR設備間傳輸通道故障情況下不能提供業務處理。

3.2 承載資源利用優化技術

R4網絡架構下，呼叫建立和切換模型均有一定變化，可能會影響到C3業務的QoS指標。因此，需采用承載資源優化技術，保證QoS指標符合標準要求。

（1）局內呼叫。當用戶發起呼叫（如列控車載設備），MSC server可以知道主叫位置并確定主叫所在的MGW，并根據被叫的位置優先選擇主、被叫共用的MGW提供業務。

（2）出局呼叫。MSC server根據出局號碼的路由分析得到出局中繼電路群，并選定出局的MGW，然后根據主叫用戶的BSC局向優選已選定出局的MGW提供業務。

（3）入局呼叫。主叫的MGW選擇由入局中繼確定，MSC server根據主叫MGW索引和被叫用戶的位置優選與主叫相同的MGW提供業務。

（4）越區切換。MSC server根據切換的BSC或切換后的局向，優先選擇連接切換后主、被叫共用的MGW，不必啟用其他MGW重新分配信道或將信道切換至另外一個MGW進行話務轉接。

綜上報述，承載資源利用優化技術節省了MGW之間中繼資源，優化了路由，減少呼叫建立時間和切換造成的傳輸干擾時間等，滿足C3業務使用要求。

3.3 切換流程優化技術

為滿足C3業務使用要求，工程聯調聯試期間采用測試系統（分別模擬車載列控設備、RBC）測試各項性能指標，利用傳輸干擾時間檢測應用層數據丟失情況。列控車載設備越區切換時造成車-地數據傳輸中斷，通常傳輸干擾時間要比切換中斷時間長一些。越區切換時，跨BSC切換比BSC內切換傳輸干擾時間要長，原因是BSC內切換需重新分配空口無線信道（切換命令下達前實施預先分配），而跨BSC切換時需重新分配A口、空口無線信道，按公網切換實現流程，R4網絡架構的核心網MSC設備既可支持2G網絡也支持3G網絡，2種網絡編碼方式不同。在跨BSC切換和MSC切換時，IWF一般需要與終端設備重新建鏈和同步等過程，可能會清除RA緩沖區中的數據，導致在GSM-R網絡中傳輸干擾時間加長，無法滿足C3業務要求。因此，在實際應用中根據鐵路特點，啟用2G到2G的切換流程，并盡量對切換流程進行優化，縮短信道切換時間，減少傳輸干擾時間，滿足C3業務要求。

4 結束語

綜上所述，GSM-R網絡承載C3數據傳輸需要經過速率適配、無線信道編碼等過程，應用中根據實際情況確定適當的傳輸速率和設置參數。為了滿足C3可靠性要求，可采用基于R4網絡架構的MSC，通過優化組網和路由方式，滿足C3 對GSM-R網絡服務質量（QoS）指標要求。

[1] 科技運［2008］128號 CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范[S]

[2] 張曙光. CTCS-3級列控系統總體技術方案[M]. 北京：中國鐵道出版社，2008

[3] 科技運［2008］127號 CTCS-3級列控系統需求規范（SRS）（V1.0）[S]

[4] 3rd Generation Partnership Project. 3GPP TS 04.21 V8.3.0 Rate adaption on the Mobile Station-Base Station System （MS-BSS） Interface：chapter 6-8

[5] YD/T 855.22—1996 900MHz TDMA數字蜂窩移動通信網無線接口物理層規范[S]

[6] 中國鐵路GSM-R對外標準組. 中國鐵路對外標準工作信息簡報（總第35期），2001(9)

[7] 科技運［2008］128號 CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范[S]

[8] 3rd Generation Partnership Project. 3GPP TS 08.60 V8.2.1 Inband control of remote transcoders and rate adaptors for Enhanced Full Rate (EFR) and full rate traffic channels: chapter 3